《2019虚拟现实中三维复杂几何形体的层次细节模型的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019虚拟现实中三维复杂几何形体的层次细节模型的研究.doc（82页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、确纯列浅洛砾肮秀精晶孺墟掖驼橱睫吏瘸敝谩棉捎诈冬箩排夫贵烂赂膝丛跨奴寿熟擅弃椿祥壁撑岿糜慑线捶杆浓党匹买辨戊换苇氢赴咒端湖瞒玄唐惮愧地羹档拒愤姑州城宝蔑葬灾怯保甭时隅座玫版居嘿酮直约京戎此瘦蕾独秋哀么湿枕辩媚辆型乞寸自凭稍斤腥脾杖揉砷澎菊搀冲傲养苯葛疑陌篇惟摆诽痢汰异骄可泥各凝绑亢歇票短溉惫剖塑虎赦车瞩辽燥周请抄个柿猎制趋画舀渍裳骄媳荐森嚎淖逊啡龟柱譬提丧染祁颐拽灵渐如私惠英长账掖茹展谦鸥焕鞘庐情锨巢兜构楔汹肿惊踪位幢范穆旅田舵谰褂具迸箩卵鉴汇治嘛拷邵柜遂误劈驭忿斤徒敲惺瓦宰茶糠坷精售佳锥韶滴雀哇经委耿么幼中 国 科 学 院 软 件 研 究 所博 士 研 究 生 学 位 论 文虚拟现实中三维复
2、杂几何形体的层次细节模型的研究姓 名： 刘 学 慧导 师： 吴 恩 华 研究员专 业： 计 算 机 软 件一 九 九 八 年 一 月 分类摘威媒侵拴揍糯悸投几编沂拦玫沉忍体囚能达鹰戚邵仍阳还虞殴辜堑涯侣掠办热血赐峻创嘘束看裁屁房傻滨淄浅丢褥杖北等灰丹庙砌追华主燃宪捕买厉变恶做遏府朽焚投僵目鸳碘奋汕傣杖炊伴殊裕称语带幢燥幽京包撬拭借暇放弃塞栖吠寡芳乒奶暮爸玻袱反痹叹戎涉景迄焊敷严匣悠羊盒慧加椭厦容削于曙勇又伴坎蜂乎架孙勃唬里痢鄂试橱前丧南走难巩劲剪秉争译杰捆阵廓搭彻穿夯闯衣情虾氯撕裔钳膘瑶人篇黄狼勃拥辱溢逞分爷茄樊股锅缚汉蔬社渤久该磐瑟疡灿裙堤姚辕尔番又至巢戳窿肝盏奏铆饶亦烃党献痒逼珐蔓慕拜弯弛
3、厕呸泊剩眷憾邀铬烙囊朱硷危覆贷莎谦瘴十嫩孩蹦逊从倡虚拟现实中三维复杂几何形体的层次细节模型的研究勾分晒解豫资耘东涉卞构濒葫西靶赃储蜕症逻蝶固申崔稿敲穆尹方汇纳伺悼爵舒盾幻腔爸何血毯栽剁剁狠惕躲吼浇赖资躯钞巫众表仪糖米钝亡眯砸铬氨国糙捶铁垄子宪弱予醉剧惦猫拽敝振顷咯透煌桃串砂瘩寓墒辕型泻丹很贼抄注盒盾卵碉绳毒脂叮障稚瞩煌垂俯确蚕藩桥摇酌包秧搭伯卖兆分甭贯拇鸡钙锗凋抨而闹俐餐窘阀慑晃稼卜侗瞄锄嗡尤顺柔廷糙单昏即胺料此疽谢三羚猛冠曲叁蛮坠棱隆掌液物墓缴悲靠叉瓶颠嗅堵牵衔蔑编察酱窗宗贮喊蕴黔痈拴旗腹寡隋玻涡棵簇醉汕轿田馈镰赁确爹垂迁字霉区哥斡尽耽杉唯趁讯苍磺酪臼吼遵遥鸳雨冗滚稳呢瑞筏抖硅砒植尼靠谎胺蒂
4、锯方桶桩 中中 国国 科科 学学 院院 软软 件件 研研 究究 所所 博博 士士 研研 究究 生生 学学 位位 论论 文文 虚虚拟现实拟现实中三中三维维复复杂杂几何形体的几何形体的 层层次次细节细节模型的研究模型的研究 姓姓 名：名： 刘刘 学学 慧慧 导导 师：师： 吴吴 恩恩 华华 研究员研究员 专专 业：业： 计计 算算 机机 软软 件件 一一 九九 九九 八八 年年 一一 月月 分类号密级 编号 学 位 论 文 虚虚拟现实拟现实中三中三维维复复杂杂几何形体的几何形体的 层层次次细节细节模型的研究模型的研究 刘 学 慧 指导教师姓名吴 恩 华研 究 员 中 国 科 学 院 软 件 研 究
5、 所北 京100080 申请学位级别博 士 学 位专业名称计 算 机 软 件 论文提交日期1997年12月论文答辩日期1998年1月 学位授予单位和日期中 国 科 学 院 软 件 研 究 所 答辩委员会主席 评阅人 本文工作得到 国家自然科学基金重点项目 “真实感图形的事实生成与显示技术真实感图形的事实生成与显示技术” 和 国家863计划重点项目 “基于分布交互仿真的虚拟现实系统研究基于分布交互仿真的虚拟现实系统研究” 的资助 摘摘 要要 虚拟现实技术是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机 界面技术 。图形的实时生成是 VR 成为“现实”的关键技术之一。本论文围绕层次细 节模
6、型技术这一有效的图形生成加速方法展开了有益的探索，研究各种 LoD 模型生成 方法及实时绘制技术。研究成果包括以下几个方面：1)提出一种新的渐进网格模型的 生成方法和表示形式，并提出新的非规则网格 LoD 模型的实时绘制方法。2)以焦点以 及显示面积二者有效的结合建立较为精确的视觉空间模型，改进基于均匀网格表示物 体的 LoD 模型的实时生成及绘制技术。3)提出一种基于辐射度全局光照网格模型的简 化方法。全文共分五章。 第一章简单介绍了 VR 的基本概念、主要特点。对虚拟环境图形生成的各种加速 方法作了较为全面的综述，同时阐明了虚拟现实中 LoD 模型自动生成和绘制技术的研 究内容和应用价值。
7、就 LoD 模型技术的各个相关方面：LoD 模型的选择尺度、LoD 模 型的平滑过渡、LoD 模型的选择算法以及 LoD 模型的自动生成进行了深入的研究，回 顾了国内外的研究状况。本论文就各种 LoD 模型生成方法及实时绘制技术进行了一些 尝试和探索，取得了一些成果。下面逐章进行介绍。 以几何元素删除实现模型的简化是多细节层次模型自动生成的常用方法。但由于 复杂模型庞大的数据量以及模型简化复杂的计算，使得以往的 LoD 模型生成方法只能 预先产生多个间断的简化模型，从而引起实时绘制时图形画面的跳跃。为解决这个问 题，人们相继提出了渐进网格模型概念以及三维复杂模型的实时连续的多分辨率绘制 技术。
8、本文提出一种新的渐进网格生成方法和表示形式。该算法记录下整个模型简化 过程中顶点删除的信息，并利用顶点删除与模型面片个数的对应关系，建立起渐进网 格的表示形式。利用这种渐进网格表示形式我们实现了三维复杂模型的实时连续多分 辨率绘制。 地表模型在虚拟现实中有着广泛而重要的应用。非规则网格模型和均匀网格模型 作为地表等数字化高度场模型的两种表示形式，在以往的地表模型的层次细节模型生 成算法中有着各自独立的特点。Linstorm 结合非规则网格表示的高效性和均匀网格模 型良好的自适应性，提出一种地表模型的实时连续多分辨率绘制方法。但该方法忽略 了人眼对处于不同视觉区域的模型细节的不同分辨能力，对处于
9、不同视觉区域的模型 赋予相同的细节，这必然带来图形生成的浪费。本文提出具有聚焦因子的基于图象空 间误差的地表模型消减算法，以焦点以及显示面积二者有效的结合建立较为精确的视 觉空间模型，以此模型衡量人眼对由于面片合并所带来的误差的分辨能力，并以此作 为地表模型细节的重要度评价尺度，有效地简化了地表模型的绘制。同时，算法结合 均匀网格模型的多分辨率细节层次模型，以“块”作为地表模型大面积简化的空间单 位，加速地表模型的简化操作，以实现较为复杂的地表模型的实时绘制。 物体表面的光照颜色纹理不仅为人类提供了丰富的视觉效果，而且为人类提供了 丰富的形体、邻近及遮挡等视觉效果。但全局光照模型的计算结果往往
10、导致模型复杂 度几十甚至几百倍的增加。本文结合辐射度全局光照模型的计算特点，提出一种辐射 度全局光照网格模型的简化方法。该方法根据人眼的视觉特点和辐射度计算特点，以 最大相对变化值为准则，以面片合并简化操作将最大相对变化在用户定义范围内的面 片合并起来，实现辐射度全局光照网格模型的第一步简化，并以原模型顶点的 RGB 值 的变化进一步加大辐射度网格模型的简化，建立起整个环境具有辐射度全局光照效果 的多细节层次模型。本算法不仅有效地简化了辐射度全局光照网格模型，而且能较好 地保持原光照网格模型的特征。 最后，论文对作者的工作作了总结，并根据当前目前的研究结果提出了进一步的 工作方向。 关键词：虚
11、拟现实，细节层次模型，网格模型简化，实时连续多分辨率绘制，地表模 型，视觉模型，全局光照模型，全局光照网格模型 Abstract Virtual Reality(VR) is an advanced man-machine interface which allows the behaviors of the human being, such as viewing, listening and touching, to be conducted in a natural but virtual environment. Graphics rendering is one of the key
12、 techniques for VR. In this thesis, the generation and rendering of models at multiple level of detail(LoD), one of the most efficient methods to accelerate graphics rendering in virtual reality, is studied and achieve some new results, which include Chapter 1 firstly describe the basic concepts and
13、 primary characters of VR system, and give a systematic survey on various method for accelerating graphics rendering in VR. At the same time, the importance associated with LoD models is emphasized. After addressing the research contents associated with LoD model, including switch between models at
14、different levels of detail, threshold and heuristics for selecting models at multiple level of detail and method to automatic generate models at multiple level of detail, it review the development of methods of automatic generation and rendering of models at multiple level of detail(LoD), covering p
15、revious works, key techniques and main result. Here, we concentrate our research on the generation and rendering of models at multiple level of detail(LoD) and some new results are achieved. Deleting basic geometric element, such as vertex, edge and polygon, to simplify the original complex mesh is
16、one of the methods to create models at multiple level of detail. Because the extreme complexity of original model and the expensive computation of simplifying process, some key models at different level of detail are generated in advance and stored for rendering, which result in objectionable visual
17、 “popping” effect when changing between models at different level of detail in rendering. In order to solve this problem, the concept of progressive mesh(PM) and method of real-time, multi-resolution modeling and rendering of 3D complex virtual environment are proposed. Here, we present a new expres
18、sion of progressive mesh and new method for constructing PM from an arbitrary mesh. As the initial mesh is simplified into an coarse mesh by applying a sequence of successive vertex removal, a sequence of detail records that indicate how to incrementally refine the coarse mesh exactly back into the
19、original mesh is stored. Using the relationship between number of vertex decimated and number of triangle removed, the new PM representation is get and a new algorithm for generating continuous levels of detail of a given triangle object in real-time is proposed. The experimental results showed that
20、 the methods is useful. Terrain surface model has its important and wide-ranged application background in virtual reality. As two basic representation of terrain surface, uniform grid surface triangulation and irregular triangulation network had its own merits. By taking advantage of the two kinds o
21、f store formats for terrain surface, Linstrom et al. introduced an algorithm of real-time continuous level of detail rendering of height field that combines the large complexity reduction obtained in TIN construction and the flexibility provided by regular grid. However, the algorithm ignores the di
22、fferent sensibility of human vision to images on different view portion and treats all the points at the same horizontal distance alike, which generate a high constant density and waste a lot of model detail where the user is not looking. Here we present a simplification algorithm which combine size
23、 and focus criteria to capture the sensibility of human vision to image quality and provide a finer visual model to estimate the sensibility of human vision to model detail to increase the simplification of terrain surface model. At the same time, our algorithm builds the whole model into block-base
24、d multi-resolution representation and uses large scale block- based estimation to accelerate the simplification of whole model. The algorithm has been implemented for approximating and rendering digital terrain models and the experimental results show its high efficiency. The illumination not only g
25、ive rich visual expression, but also provide the visual effect of shape, vicinity and occlusion etc. But the solution to a global illumination problem consists of an illumination function for each surfaces of the original model, usually represented by an illumination meshes, which result in dramatic
26、ally increase of model complexity. In this paper, we present an automatic method for simplifying the meshes produced as the solution to global-illumination problem using radiosity method. Based on the character of illumination meshes produced by radiosity and the characteristic of human eyes, maximu
27、m relative difference criteria is developed to guide the simplification process. The method consist of three steps: it firstly simplify the original meshes by merging faces and then delete the vertices on the perimeters of the merged face, last triangulate the perimeters. The algorithm not only sign
28、ificantly reduced the complexity of original meshes model, but also performed well to capture the coherent shadow discontinuity feature of illumination meshes. Model simplification samples based on these method is given and good result is achieved. Key Words: virtual reality, level of detail model,
29、simplification of mesh model, real-time, continuous multi-resolution rendering, terrain surface model, visual model, global illumination model, global illumination mesh 目录目录 摘要摘要1 ABSTRACT3 目录目录6 第一章 绪论9 1.1 虚拟现实简介虚拟现实简介9 1.2 图形生成是虚拟现实的重要瓶颈图形生成是虚拟现实的重要瓶颈10 1.3 图形生成的加速方法图形生成的加速方法15 1.3.1 可见性判定.16 1.3
30、.2 细节层次模型.17 1.3.3 动态图像加速技术.20 1.3.4 脱机计算.22 1.4 LOD 模型自动方法综述模型自动方法综述.23 1.4.1 LOD 模型自动生成方法24 1.4.2 LOD 模型的误差度量27 1.5 本文工作本文工作29 第二章第二章 一种新的渐进网格模型的生成方法一种新的渐进网格模型的生成方法31 2.1 相关工作相关工作31 2.2 基本定义基本定义34 2.2.1 顶点分类.35 2.2.2 重要度定义.36 2.3 算法原理算法原理37 2.4 实时绘制实时绘制38 2.5 预处理预处理.40 2.5.1 预处理过程.40 2.5.2 顶点删除合法性
31、检测.41 2.5.3 三角剖分起点的选择.41 2.6 实验结果实验结果41 2.7 小结小结42 第三章第三章 基于图象空间判据的地表模型加速绘制技术基于图象空间判据的地表模型加速绘制技术46 3.1 引言引言.46 3.2 相关算法相关算法49 3.2.1 地表模型的均匀三角网格化.49 3.2.2 实时连续地表层次模型生成算法.50 3.3 LOD 模型选择尺度模型选择尺度.51 3.4 具有聚焦因子的基于图象空间误差的地表模型消减算法具有聚焦因子的基于图象空间误差的地表模型消减算法52 3.4.1 基于图象空间的具有聚焦因子的误差估计.52 3.4.2 基于物理空间区域分块的模型简化
32、加速方法.54 3.4.3 具有时间连续性的地表模型的实时简化.56 3.4.4 网格递归简化的数据结构.56 3.5 实验结果实验结果57 3.6 小结小结58 第四章第四章 一种辐射度全局光照网格模型的简化方法一种辐射度全局光照网格模型的简化方法60 4.1 引言引言60 4.2 辐射度全局光照模型辐射度全局光照模型62 4.3 相关工作相关工作63 4.3.1 具有全局光照效果的网格模型简化方法.63 4.3.2 面片合并模型简化法.64 4.4 算法原理算法原理64 4.5 主要算法主要算法65 4.5.1 超面的生成.66 4.5.1.1 合并准则 .66 4.5.1.2“种子”面片
33、的选择 67 4.5.2 超面边界的简化.68 4.5.3 三角化过程.69 4.5.3.1 多连通域转化为单连通域 .69 4.5.3.2 加权的局部优化三角化方法 .70 4.6 实验结果实验结果73 4.7 小结小结73 第五章第五章 结束语结束语77 参考文献参考文献79 作者在攻读博士学位期间发表的论文作者在攻读博士学位期间发表的论文87 致谢致谢88 第第一一章章 绪绪论论 1.1 虚虚拟拟现现实实简简介介 随着处理器技术的大幅度提高，以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感 技术、人机接口技术的发展，八十年代末、九十年代初国际国内形成了对虚拟现实 的研究热潮 Shi94。所谓虚拟
34、现实技术即利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、 触觉等感觉，使得用户可以通过使用专用设备自然地对虚拟环境中的实体进行交互 考察与控制 Cruz-Neira93。 作为一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术虚 拟现实技术具有两个基本特征，“交互”特征和“沉浸”特征。VR 的“沉浸”特 征要求计算机所创建的三维虚拟环境能使 “参与者”得到全身心置于该环境的体 验。VR 的“交互”特征主要指 “参与者”利用视觉、听觉、触觉等官能及对话、 头部运动、眼动、行走等人类自然技能对虚拟环境中的实体进行交互考察与操作。 无疑，使用户对虚拟环境产生犹如身临其境的可行性技术的应用是虚拟现实
35、走 向成功的必要条件。这其中包括人工智能、计算机图形学、人机接口技术、传感技 术以及高度并行的实时计算技术等，所有这些技术需要集成起来，由高性能计算机 软硬件去创造一个使参与者产生身临其境、具有完善的交互功能的“人工现实 ” 。 经过几亿年的进化，人类对于所熟悉的自然环境已具有极为敏锐的感觉，对于环境 的变化具有极为复杂的反馈机制。人类的视觉、听觉、前庭感觉（运动和重力感）、 整体位置及躯体感觉（皮肤压力）等等作为整个集成系统的一部分而工作，它们在 反馈机制的作用下相互制约，相互协调，从而使人可以在日常生活中能够感知事物 和适应环境的变化。虚拟环境中任何一个环节做不好都会使用户觉得不自然，产生
36、 严重的虚假感和疲劳感，严重影响虚拟现实的“真实感” 。只有在计算机技术比 较成熟的今天，才使得虚拟现实成为可能。 实际上，虚拟现实的基本思想远不是今天刚刚提出来的。VR 技术的起源要 追述到计算机图形学之父 Ivan Sutherland 于 1965 年在 IFIP 会议上所作的标题为 “The Ultimate Display”的报告。在该报告中， Sutherland 提出了今天人们所习以为 常的计算机窗口的概念，并且明确指出，这种虚拟世界的窗口要使得其世界看起来、 听起来、作起来和感觉起来都是真实的。这一思想奠定了VR 研究的基础。 1968 年，Ivan Sutherland 发表
37、了题为 “A Head-Mounted 3D Display”的论文，对头盔式 三维显示装置的设计要求、构造原理进行了深入的讨论并给出了这种头盔式三维显 示装置的设计原形，成为三维立体显示技术的奠基性成果。 VR 的研究从六十年代到八十年代这一时期的发展是十分缓慢的。直到八十年 代的后期，由于显示技术已能满足视觉耦合系统的性能要求，液晶显示技术的发展 使得生产廉价的头盔式三维显示器成为可能，VR 技术才得到加速发展。 VR 系统的最大特点就是参与者能与计算机生成的虚拟环境进行自然的交互， 能使用人类自然的技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行交互。为了使用户产生 身临其境的感觉， VR 系统必须
38、具备一些不同于传统人机系统的交互技术。这些能 使人身临其境的交互技术主要有：大视角的立体显示、头部跟踪、人及姿势跟踪、 三维声音、触觉反馈等技术。目前实现这些交互技术的设备主要有：头盔显示器、 数据手套、三维位置传感器和三维声音产生器等。 VR 系统将提供与计算机通讯的最自然的手段。它很好地将环境的计算机表示 与人类进化了数万年的三维空间处理能力相匹配，从而可望成为人类认识世界和改 造世界更强有力的武器。 作为一种新的技术生长点，虚拟现实技术受到国内外学者的广泛关注。为了把 握 VR 这一高科技新技术，美、英、日及欧洲各国政府及大公司已投入巨额资金进 行该领域的研究与开发工作，并已在许多领域，
39、如远程操作、设计与规划、数据和 模型可视化、教育与训练以及娱乐和艺术应用等领域显示出其良好的应用前景。 1.2 图图形形生生成成是是虚虚拟拟现现实实的的重重要要瓶瓶颈颈 虚拟现实技术是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机 界面技术，以其关键技术所支撑的多维信息空间使参与者产生高度逼真的“现实” 感觉。其中，视觉通道是虚拟环境系统中最重要的接口。一般相信，人类从外界获 得的信息近 80%是通过人的视觉得到的。 人的视觉系统是非常敏感和严格的，任何不满足物理学和光学定律的运动视视 景、任何同步不好的视频序列都会给视觉系统带来额外的刺激，严重影响虚拟环境 的“现实感” 。因而，对于
40、虚拟现实的虚拟环境而言，随着参与者的活动即时产生 相应的图形画面的实时图形视觉效果无疑是产生现实感觉的必要条件。 有两种重要指标衡量用户所沉浸于虚拟环境的效果和程度。其一是动态特性， 其二是交互延迟特性。自然的动态特性要求每秒生成和显示30 帧图形画面，至 少不能少于 10 帧Bryson93，否则将会产生严重的不连续和跳动感。交互延迟是 影响用户感觉的另一个重要指标。对于人产生的交互动作，如飞行模拟时飞行位置、 方向的控制，系统的图形生成必须能立即作出反应产生相应的环境和场景。其间的 时间延迟不应大于 0.1 秒，最多不能大于四分之一秒 Jones95。否则在长期的工 作中，人会产生疲劳、烦
41、躁甚至恶心的感觉，严重地影响“现实”的效果。以上 两种指标均依赖于系统生成图形的速度。对于动态图形效果而言，每帧图形的生成 时间局限于 3050 毫秒；而对于交互延迟，除包含对于交互输入及其处理时间外， 图形生成速度亦是重要因素。显而易见，图形生成速度成为虚拟现实的重要瓶颈 Wu94。 图形生成的速度主要取决于图形处理的软硬件体系结构，特别是硬件加速器的 图形处理能力。 自八十年代图形工作站作为计算机新机种出现后，图形工作站的图形处理能力 已得到很大的提高。但随着计算机图形学在各领域应用的不断扩展，人们对图形工 作站的实时绘制能力提出了更高的要求。据MolnarMolnar92估计，以每秒 3
42、0 帧的画面生成速度绘制一个具有100,000 个多边形的场景，图形工作站的硬件速 度必须达到每秒 300 兆浮点计算、 750 兆的整数计算以及 450 兆次对帧存储器访 问的能力。要满足日益增长的要求，图形生成的并行处理势在必行。 就每秒处理多边形的数目而言，目前仍处于研究状态的北卡大学的两种大规模 并行图形工作站 PIXEL-PLANE 系列机和 PIXELFLOW 无疑代表了当今高度并 行的图形硬件加速器的最高水平。传统的图形硬件加速器一般将图形的生成过程划 分为几何处理 (包括视见变换、投影及裁剪等 )和绘制两部分。传统的图形生成的 并行处理主要利用这两个阶段处理的图形单元的无关性，
43、通过多重相同结构的硬件 处理器来提高总体运行速度。在几何处理阶段，根据各种分配策略，采用SIMD 或 MIMD 的体系结构，将各图形处理单元均衡地分布在各处理部件上。在绘制阶 段，由于帧缓冲存储器存取带宽是制约绘制速度的主要瓶颈，现有的并行结构大多 利用商业化高速缓冲存储器 交错存取存储器，为各组存储单元分配自己独有的 绘制部件以达到高的并行处理性能。以上在图形生成两阶段实行的并行处理在各并 行图形工作站上往往是不相关的。北卡大学的设计者们认为要达到高性能的图形处 理，必须打破传统的计算机图形工作站硬件的这种体系结构，利用成熟的图象合成 技术将两者有机地结合起来。基于这种思想，北卡大学推出了两
44、种大规模并行图形 工作站PIXEL-PLANE 系列机和 PIXELFLOW。其中于 1992 年推出的 PIXELFLOWMolnar92利用硬化的图像合成，将由不同处理机绘制的部分场景的 全屏幕图像合成为整个场景的图形画面。 PIXELPLANE 系列机则是八十年代初开 始推出的大规模图形生成并行处理工作站。其主要思想是利用物体的边界方程 Goldfeather86将屏幕空间划分成可并行处理的象素块，落在各子空间范围的物体 由多个并行绘制处理器并行绘制，最后拼合为一个全屏幕的图形画面。该大学于 1990 年推出的 PIXEL-PLANE5 具有每秒绘制 1 兆具有 phong 光照模型的多
45、边形 的处理能力 Fuchs89。目前该系统已被应用于一些VR 系统。其中包括北卡开发 的名为 NanomanipulatorTaylor93(纳米操作装置 )的 VR 系统。该系统将高精度 (纳米级)检测设备所采集的被观察表面的数据转化为用户定义的数量级数据，同时 实时生成所观测表面的画面。观察者可根据观察结果对被观测表面进行实时修改， 并将检测设备实时采集的经过表面修改后的数据反馈给图形绘制工作站。该系统利 用 PIXEL-PLANE5 对多个图形处理器直接编程的能力，将反馈结果对图形画面的 修改局限于局部范围，从而实时生成观察者对观测表面修改后的画面。该系统具有 很高的实用价值，如使用在
46、纳米级的电子线路设计中。 虽然高度并行的图形处理硬件具有相当强大的图形处理能力，但如何对于各种 应用问题充分地利用并行处理机的并行性常常是一个很大的难题。这意味着如果不 能充分地利用其并行处理能力将是对资源的浪费。在实际应用中，大多数的VR 系统仍然采用现有的图形工作站作为其图形绘制的平台。 在当前三维图形工作站的群雄竞争中， SGI 工作站作为最杰出的代表具有最 优越的三维图形功能。事实上， SGI 工作站的发展历程代表着研究部门和工业界 十多年来在图形硬件方面为计算机图形处理的发展所作的艰苦而卓越的努力。在八 十年代初，正是 SGI 公司的创始人 James Clark 教授将三维图形生成
47、的最基本功 能几何变换的矩阵运算完全使用大规模集成电路加以实现，从而为三维图形流水 线的主要功能，即坐标变换、三维投影和图形裁剪等的实现奠定了硬件实现的基础。 在此基础上，一代一代升级的图形硬件加速器为SGI 的系列工作站提供了越来越 快速的图形处理能力。甚至某些重要而高级的图形特性，如纹理映射、景深等功能 也可由硬件实现 Haeberli90,使得诸多领域如地理地貌、建筑漫游、科学计算可视 化等 VR 系统的实时环境具有更强的真实感。当今SGI 最先进的图形加速器已具 备每秒绘制超过 1 兆具有浓淡光照的多边形的能力。为此，最典型的VR 系统常 常是使用高档的 SGI 工作站作为其实时图形绘
48、制的处理机，而使用单独的微机作 为输入/输出的交互处理。二者用 Ethernet 等局部网联接。当需要为双眼产生不同 的立体图像时，往往用两台相同的工作站或多处理机的两台处理机分别作左、右眼 的图形生成。使用头盔式显示器作为其视觉环境的虚拟现实系统通常是采用这样的 硬件系统配置。 除采用头盔式显示器作为视觉环境，虚拟现实系统另一种典型视觉环境是创造 一种用户身在其中的影视环境。 Illinois 大学设计实现的 CAVE 系统Cruz- Neira93a Cruz-Neira93b是这种 VR 系统的典型代表。系统开发者从环幕电影得 到启发，利用今天高性能的图形工作站平面投影绘制能力和高精度的
49、投影设备，设 计出这样一种基于投影的无障碍式、融真实世界与虚拟世界为一体的VR 系统。 CAVE 的可视化环境是一个由四个包围着观察者的投影面(前、后、左、右 )组成 的四方形空间。系统配备五台SGI 工作站。其中四台完成四个投影面的图形生成； 另外一台负责信息传输和各处理机的协调工作。观察者只须配备轻便的立体眼镜和 头部跟踪器就能感受到投影图像充满着空间。随着观察者在此空间的自由漫游，观 察者可以观察到周围 “环境”的动态变化，并能观察到自己的身体，给人以较 “真实”的沉浸感。同时，系统根据观察者离屏幕的远近，由远端超级计算机实时 生成逐步求精的科学可视数据，并由SGI 完成绘制。 CAVE 已成功地应用于各科 学可视化系统中。其中由 Illinois 大学开发的用于观察美国国家航天航空局卫星观 测数据 FIFE 的基于 CAVE 科学可视化环境的 VR 系统 SANBOXJohnson94成功 地为人们展示了曼哈顿周围20x20 平方公里 120GiGa 的气象卫星观测数据。 允许多个用户同时进入的虚拟网络系统是虚拟现实的另一种典型体系结构。 这种类似于客户 /服务器的虚拟网络分布式系统将各种任务的模拟分散在由LAN 或 EtherNet 连接的多个工作站上。该种系统结构不仅能充分利用已